汽轮机原理-第5章.doc

第五章 汽轮机调节保护系统 　　本章 概要介绍汽轮机调节保护的任务、系统的基本组成和不同类型调节保护系统的特点，着重分析汽轮机调节系统动、静态特性对机组功率、转速的调节性能和安全、稳定运行的影响，以汽轮机调节保护系统的典型部件为例，介绍调节保护系统各环节的工作原理和静态特性计算 　　第一节 汽轮机调节保护系统的任务和系统组成 　　一、汽轮机调节保护系统的任务 　　汽轮机是发电厂的原动机，驱动同步发电机旋转产生电能，向电网输送符合数量和供电品质(电压与频率)要求的电力由同步发电机的运行特性已知，发电机的端电压决定于无功功率，而无功功率决定于发电机的励磁；电网的频率(或称周波)决定于有功功率，即决定于原动机的驱动功率因此，电网的电压调节归发电机的励磁系统，频率调节归汽轮机的功率控制系统这样，机组并网运行时，根据转速偏差改变调节汽门的开度，调节汽轮机的进汽量及焓降，改变发电机的有功功率，满足外界电负荷的变化要求由于汽轮机调节系统是以机组转速为调节对象，故习惯上将汽轮机调节系统称为调速系统 　　汽轮机调节系统是根据电网的频率偏差自动调节功率输出的，故在供电的量与质的方面存在着矛盾；因为满足负荷数量要求后，并不能保持电网频率不变。

目前，电网是通过一、二次调频实现供电的频率品质要求的对短周期、小幅度的负荷变化由电网负荷频率特性产生频率偏差信号，网中的各台机组根据调节系统的特性分担这部分负荷变化，这一调节过程称为一次调频对幅度变化较大而速度变化较慢的负荷，则由电网的自动频率控制(AFC)装置来分配调频机组的负荷，这一调节过程称为二次调频 　　然而，纯粹的调速系统是难以满足优良的供电品质要求的因为在机组运行中，即使汽轮机的调节汽门开度保持不变，锅炉燃料品质不一致也会引起燃烧工况波动，导致汽轮机的进汽参数和功率输出改变，进而使电网频率发生变化，供电品质下降这种由机组内部因素造成机组有功功率及电网频率波动的扰动称之为"内扰"为抵御机组"内扰"的影响，在汽轮机调节系统中还必须引入功率控制信号，在发生"内扰"时，使机组的功率输出维持在外界要求的水平上这种既调节转速，又调节功率的调节系统称之为功(率)频(率)调节系统 　　汽轮机是高温、高压、大功率高速旋转机械，转子的惯性相对于汽轮机的驱动力矩很小机组运行中一旦突然从电网中解列甩去全部电负荷，汽轮机巨大的驱动力矩作用在转子上，使转速快速飞升如不及时、快速、可靠地切除汽轮机的蒸汽供给，就会使转速超过安全许可的极限转速，酿成毁机恶性事故。

此外，机组运行中还存在低真空、低润滑油压、振动大、差胀大等危及机组安全的故障因此，为保障汽轮机各种事故工况下的安全，除要求调节系统快速响应和动作外，还设置保护系统，并在调节汽门前设置主汽门在事故危急工况下，保护系统快速动作，使主汽门和调节汽门同时快速关闭，可靠地切断汽轮机的蒸汽供给，使机组快速停机汽轮机调节保护系统的原理性结构如图6-1所示 图6-1汽轮机调节保护系统原理性框图 　　综合上述，汽轮机调节保护系统的任务是：正常运行时，通过改变汽轮机的进汽量，使汽轮机的功率输出满足外界的负荷要求，且使调节后的转速偏差在允许的范围内；在危急事故工况下，快速关闭调节汽门或主汽门，使机组维持空转或快速停机 　　二、中间再热汽轮机调节保护系统的特点 　　再热器的蒸汽管、传热管及联箱等是个很大的蒸汽容积空间，其间贮存的蒸汽量决定于再热器蒸汽的温度和压力由第三章已知，在非设计工况下，中、低压缸的功率与再热器的蒸汽压力呈一定的比例关系，这样对应于不同的机组功率，贮存于再热器中的蒸汽量是不等的在机组功率变化过程中，因再热器内蒸汽压力变化导致贮汽量的改变，产生的蒸汽吸蓄或泄放效应，使中低压缸的功率变化滞后于高压缸。

如图6-2(a)所示，在机组功率增大时，增大高压缸的进汽量，高压缸的功率输出近似于阶跃增大，并且因再热器的压力较低，高压缸的功率还有一定的过增量同时，高压缸的排汽进入再热器内时，部分增大的蒸汽量滞留在再热器中，以提升再热器的蒸汽压力，使中低压缸的功率缓慢增大只有当再热器的蒸汽压力达到新工况稳定状态时，才能使高压缸的排汽量与中压缸的进汽量相等相反，在机组功率下降时，高压缸进汽量减少，使再热器蒸汽压力下降，再热器泄放出部分贮汽，使得中压缸的进汽量大于高压缸 　　再热器的时滞效应降低了机组快速响应外界负荷变化的一次调频能力，因为中、低压缸的功率约占整机功率的70％图6-2(a)中阴影部分表示了负荷调节过渡过程中机组功率不能满足外界要求的大小，在甩负荷危急工况下，再热器中贮存的大量蒸汽，如在中低压缸中继续膨胀作功，可使机组的飞升转速达额定转速的40％，严重危及着机组的运行安全 　　中间再热机组为单元制机组，锅炉的蓄热相对减少，特别是直流锅炉传统的锅炉跟随汽轮机的运行方式，利用锅炉金属蓄热释放满足汽轮机的流量要求，势必引起锅炉运行参数的较大波动，严重时造成参数超限，危及机、炉的安全再热器通常布置于锅炉的高温烟道区，在机组启、停过程中必须有足够的蒸汽来冷却再热器，防止再热器传热管烧损。

但在机组启动过程中，再热器的冷却蒸汽量和锅炉低负荷稳燃的产汽量远大于汽轮机的空载流量，因此机组的升速、带负荷与再热器的冷却间有很大矛盾 图6-2再热器的时滞效应与高压缸过调 　　为增强中间再热机组的一次调频能力，保护事故工况下机组的安全，提高机组启、停操作的灵活性和安全可靠性，在中间再热汽轮机调节系统中，设置动态校正器在机组功率增大或减小时，通过高压调节汽门的过开或过关，由高压缸功率的过增或过减补偿再热器产生的时滞效应，使机组功率与外界要求保持一致在中压缸进口处，设置中压主汽门和中压调节汽门，在危急事故工况下，快速切断中压缸的进汽，避免再热器蒸汽进入中低压缸造成机组转速恶性飞升另一方面，在机组启、停过程中，由中压调节汽门控制再热汽温，使中压缸的进汽与中压缸转子及汽缸的热状态得到良好的匹配为减小中压调节汽门产生的节流损失，中压调节汽门通常在机组负荷大于30％时保持全开 图6-3汽轮机、锅炉协调控制 　　为使中间再热机组在负荷变化时，既能利用锅炉金属的蓄热满足快速响应外界电负荷的要求，又能通过改变调节汽门的开度使主蒸汽压力的波动在允许的范围之内，从而要求机炉采用协调控制方式机炉协调控制的流程图如图6-3所示。

　　为改善中间再热机组的启动特性，加快机组的启动速度，回收启动过程中的工质和热量，以及在机组甩负荷工况下保护锅炉的安全，在中间再热汽轮机的蒸汽系统中设有高、低压旁路系统和大旁路系统高压旁路系统是将来自锅炉过热器的新蒸汽通过减温、减压器排至冷再热器蒸汽管，低压旁路系统是将再热新蒸汽经减温、减压器排至凝汽器，大旁路系统则是将新蒸汽经减温、减压器直接排至凝汽器在机组启、停过程中，通过操作高、低压旁路调节阀和中压调节汽门，控制再热蒸汽温度和再热器的冷却在甩负荷工况下，由旁路系统控制锅炉过热器及再热器的压力，避免锅炉安全阀动作，使机组故障排除后尽快恢复运行中间再热汽的旁路系统及高、中压主汽门与调节汽门的布置如图6-4所示 图6-4中间再热机组的旁路系统及主汽门、调节汽门布置 　　三、汽轮机调节系统的基本组成和种类 　　汽轮机调节系统的原理性构成如图6-5所示转速感受机构是将转子的转速信号转变成一次控制信号；中间放大器对一次控制信号作功率放大，并按调节目标作控制运算，产生油动机的控制信号；油动机是一种液压位置伺服马达，按中间放大器的控制信号产生带动配汽机构动作的驱动力，并达到预定的开度位置；配汽机构是将油动机的行程转变为各调节汽门的开度，通过配汽机构的非线性传递特性，汽轮机的进汽量与油动机行程间校正到近似线性关系；同步器作用于中间放大器，产生控制油动机行程的控制信号，单机运行时改变汽轮机的转速，并网运行时改变机组的功率；启动装置在机组启动时用于冲转、并提升转速至同步器动作转速。

图6-5汽轮机调节保护系统原理性框图 　　由于汽轮机的蒸汽压力很高，开启主汽门和调节汽门需要很大的驱动力为满足电网一次调频要求，必须要求调节汽门的驱动机构有较好的响应灵敏性和较快的响应速度特别是在机组甩负荷等危急工况下，要求主汽门和调节汽门能在极短的时间内全行程关闭因此，对汽轮机调节汽门和主汽门的驱动机构提出惯性小、驱动功率大的特殊要求目前，电磁驱动机构尚不能满足这一特殊要求，故汽轮机调节保护系统总是以油动机(即液压伺服马达)为调节汽门和主汽门的执行机构 　　汽轮机的调节保护系统根据其转速感受机构及中间放大器的结构不同，可分为机械液压调节、模拟电液调节和数字电液调节三种型式 图6-6原型性机械液压调节系统 　　1.机械液压调节系统 　　机械液压调节系统是由杠杆、曲柄等机械机构作信号放大和液压流量控制阀作功率放大，其原理性系统如图6-6所示飞锤感受转速的变化，并转变为滑环的位移；断流式错油门控制油动机活塞腔室的进、排油，当错油门滑阀偏离居中位置时，分别开启油动机活塞上、下腔室的进、排油口，使油动机活塞带动调节汽门开启或关闭；在油动机活塞移动时，又带动杠杆运动，使错油门滑阀向着居中位置移动。

当油动机活塞的位移复现调速器滑环位移的变化规律时，错油门滑阀回到居中位置，调节过程结束随着机组容量的增大，开启调节汽门驱动力要求的提高，特别是中间再热机组高压调节汽门动态校正要求的提出，机械液压调节的机械结构和液压控制回路变得十分复杂机械传动机构旷动间隙的存在，液压控制部件易受油液污染的影响，使调节品质和运行稳定、可靠性不很理想因机组的功率信号无法由机械或液压机构来感受，故机械液压调节系统仅能起到调速系统的作用另一方面，配汽机构采用较为固定的机械机构，无法实现喷嘴、节流等多种运行方式的灵活切换 　　2.模拟电液调节系统 　　模拟电液调节系统是基于模拟电路的连续控制调节系统，它将电子技术与液压控制技术有机地结合在一起，综合了电子元件检测灵敏、精度高、线性好、迟缓小、传输速度快、调整方便、能实现复杂调节规律，以及液压元件驱动功率大、惯性小的优点检测、运算采用电子元件，执行机构为液压部件，两者中介的核心部件是电液伺服阀(俗称电液转换器)汽轮机的转速和功率经传感器或变送器转变为电信号，经电子线路放大、运算，产生油动机行程的控制信号，输到PID(比例、积分和微分)凋节回路，然后经模拟电路功率放大作用于电液转换器，产生控制油动机行程的液压信号，经中间放大后使油动机按调节指令动作。

模拟电液调节系统原理性框图如图6-7所示，系统中设有转速调节回路、功率调节回路和功-频调节回路，在机组单机运行时控制转速；并网非调频工况时调节机组功率；并网调频运行时实现功-频调节，克服"内扰"和再热器中间容积时滞效应的影响功率设定可远方遥控设置，便于电网自动发电控制(AGC)蒸汽压力输入可实现机炉协调控制模拟电液调节系统的控制功能和调节品质较机械液压调节系统有了很大的提高，改善了调节系统的甩负荷动态特性，增强了机组运行的安全性 图6-7汽轮机模拟电液调节系统框图 　　3.数字电液控制系统 　　数字电液控制系统(Digital Electro-Hydraulic Control System，简称DEH)是以计算机替代模拟电液调节系统中控制运算的模拟电路，发挥计算机控制运算、逻辑判断与处理能力强及软件组态灵活、方便的优势，将汽轮机运行的状态监测、顺序控制、调节和保护融为一体特别是液压系统采用高压抗燃油(三芳基磷酸脂)后，简化了液压控制回路，提高了油动机的推动力调节汽门由各自油动机驱动，可使机组实现喷嘴、节流等多种运行方式灵活切换，增强了机组运行控制的灵活性由于数字电液调节系统的硬件采用模块化结构，系统扩展灵活，维修调试方便，冗余控制、多层保护和自检、自诊断功能使调节品质、运行可靠性和机组的安全性均较模拟电液调。